JVM(一) - 基础

Java8官方文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/

JDK(Java Development Kit)：Java开发工具包。JDK是整个 Java 开发的核心，它集成了JRE 和一些好用的小工具(如Javac、JConsole、VisualVM等)。提供用户开发Java程序，内部Javac编译Java文件到Class文件、JConsole调试、VisualVM分析工具、javadoc文档。需要编写、编译Java程序需要用到JDK。

JRE(Java Runtime Environment)：Java运行时环境。主要包含两个部分：JVM 的标准实现和 Java 的一些基本类库(如Beans、JDBC等)，相比与JVM就是多了一些java类库。提供用户运行Java程序，运行Java程序只需要JRE。

JVM(Java Virtual Machine)：Java虚拟机。执行Class文件的字节码解析转化为机器码。提供一套JVM字节码运行的规范，不同的厂商不同平台提供其JVM。目前主流的JVM虚拟机是HotSpot。

JDK中一些可执行文件，如javac内部调用的其实是 JDK 中 lib 目录中的 tools.jar 中 com.sun.tools.javac.Main 类，也就是说这些工具只是入口而已，实际本身由Java编写，所以在JDK目录下的JRE既提供了自身工具的运行时环境，也提供了用户编写Java程序的运行时环境。

Java同一套代码可以在不同的系统不同的硬件上执行相同的效果，核心是因为JVM，JVM提供一套字节码运行的规范，不同平台有不同的实现。

虚拟机（Virtual Machine）就是提供虚拟计算机作用的软件，用来执行一些虚拟计算机指令。可分为两类：

• 系统虚拟机：完全是对物理计算机的仿真，提供一个可运行完整操作系统的软件平台。如Visual Box、VMware；
• 程序虚拟机：专门为执行单个计算机程序而设计，如Java虚拟机用来执行Java字节码指令。

• 执行二进制字节码的虚拟计算机，装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。但其运行的节码也不一定由Java语言编译而成；
• JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器，以及可靠的即时编译器；
• Java技术的核心就是Java虚拟机，因为所有的java程序都运行在Java虚拟机内部。

JVM在整个JDK(java 运行环境)中处于最底层，位于操作系统之上，负责与操作系统的交互(并不直接与硬件交互)，用来屏蔽操作系统环境，提供一个完整的、跨平台的Java运行环境。

前端编译器：把java代码转成字节码，与JVM无关。如Javac。

JVM执行引擎：把字节码转成机器码。如字节码解释器、JIT即时编译器。

流程图如下：

指令执行有两种方式：基于栈的指令集执行 和 基于寄存器的指令集执行，Jvm采用的是基于栈的指令集执行。

基于栈式方式的特点：

• 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
• 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台
• 基于栈式架构的指令集却以零地址指令为主
• 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈
• 通常要比基于寄存器的指令集数量要多，执行速度要慢一些

基于寄存器方式的特点：

• 指令集与硬件架构紧密关联的，无法做到可移植
• 花费更少的指令去完成一项操作
• 指令集是直接由CPU来执行的，它是在高速缓冲区进行执行的，速度要快很多
• 基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令、三地址指令为主

执行3+1，通过Jclasslib查看字节码其指令分别如下：

public static void main(String[] args) {
    int v = 3 + 1;
    System.out.println(v);
}
// 字节码
 0 iconst_3	// 将常量3入栈
 1 istore_1	// 弹出操作数栈顶元素，并把元素的值复制到本地变量表索引为1的位置
 2 iconst_2	// 将常量2入栈
 3 istore_2	// 弹出操作数栈顶元素，并把元素的值复制到本地变量表索引为2的位置。
 4 iload_1		// 从本地变量表中索引为1的值压入操作数栈
 5 iload_2		// 从本地变量表中索引为2的值压入操作数栈
 6 isub		// 弹出操作数栈最上层的两个元素，进行减操作（3-2），将结果1压入操作数栈
 7 istore_3	// 弹出操作数栈顶元素常量1，并把元素的值复制到本地变量表索引为3的位置
 8 getstatic #2 	// 在常量池中找到索引为2的静态方法，即System.out
11 iload_3		// 从本地变量表中索引为3的值（即1）压入操作数栈
12 invokevirtual #3 	// 方法调用，找到常量池中找到索引为3的方法，生成新的栈帧（分配 locals、stack等），传递参数，执行新栈帧中的字节码
15 return

 基于寄存器指令：

mov eax,3	// 将3放入寄存器，
sub eax,2 	// 后面跟一个参数2，在现有的寄存器上减去2，在把结果放回寄存器。

Jvm内存模型图，具体分析见内存模型章节。

通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

• 运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
• 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止

如下的几种情况：

• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
• 某线程调用Runtime类或System类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作
• 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API 来加载或卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况